杜 喬，姜 文，李春景

(沈陽飛機設計研究所,沈陽 110035)

超聲波流量計在飛機燃油流量測試中的應用研究

杜 喬，姜 文，李春景

(沈陽飛機設計研究所,沈陽 110035)

燃油系統(tǒng)輸油流量測試是飛機燃油系統(tǒng)地面模擬試驗的一項重要內容;由于試驗油箱內部的各管路與真實飛機油箱管路的布置是一致的，不適合在油箱內的狹小空間安裝渦輪流量計，并且會破壞管路流阻特性;由于使用傳統(tǒng)油箱油量標定的方法進行輸油流量測量耗時耗力，所以需要采用一種新的技術或測量方法來完成油箱輸油流量的測量;超聲波流量計體積小，不會破壞輸油管路流阻特性，防爆等級也符合試驗要求;對超聲波流量計在浸油狀態(tài)下測試進行可行性分析，將超聲波流量計在飛機燃油系統(tǒng)試驗中實現創(chuàng)新性應用;通過試驗證明了超聲波流量計在飛機燃油流量測試中發(fā)揮了重要作用，并且首次將超聲波流量計應用到飛機試驗油箱內部輸油管路的流量測試中，這對飛機其他系統(tǒng)的流量測試和飛機機上排故試驗起到了重要作用。

燃油試驗；流量測試；超聲波流量計；時差法

0 引言

燃油系統(tǒng)用來貯存飛機所需要的燃油，并保證飛機在所有的工作狀態(tài)下都能連續(xù)、有效地向發(fā)動機供給燃油。此外，燃油系統(tǒng)還具有為空調系統(tǒng)的工作介質、發(fā)電機冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和雷達冷卻系統(tǒng)提供散熱的功能。飛機燃油系統(tǒng)試驗的主要目的是驗證燃油系統(tǒng)各分系統(tǒng)及配套的成品、附件是否滿足飛機性能并且驗證系統(tǒng)設計的合理性。試驗可根據燃油系統(tǒng)功能及合理試驗方法劃分為以下九大項內容，分別為供油子系統(tǒng)試驗、抽吸供油試驗、負過載供油試驗、輸油子系統(tǒng)試驗、壓力加油試驗、加油沖擊壓力測量試驗、通氣增壓分系統(tǒng)試驗、散熱子系統(tǒng)試驗和油量-耗量測量子系統(tǒng)試驗。合理的流量和壓力的燃油是飛機正常飛行的保證，無論那一項試驗都會涉及到流量的測試，所以在飛機燃油試驗中測量流量的方法尤為關鍵[1]。

試驗油箱是按照飛機油箱1：1模擬設計的，油箱內部的各種管路布置與真實飛機油箱的管路布置一致，真實飛機各個油箱內沒有安裝流量計，所以如果在試驗室模擬臺油箱內安裝渦輪流量計，勢必會破壞管路流阻特性，并且渦輪流量計的體積很大，不適合安裝在油箱內的狹小空間內，只能采取其他的試驗方法獲取試驗數據。需要采用一種新的技術或測量方法來完成油箱輸油流量的測量。經過調研論證，采用超聲波流量計進行燃油流量測量。超聲波流量計體積很小，只需要安裝輸油管路的外管壁上，不會破壞輸油管路流阻特性，并且其防爆等級符合試驗要求，適合安裝在油箱內測量管路的液體流量。在下面的文章中將要論述其在燃油試驗中的具體應用。

1 超聲波流量計簡介

19世紀30年代，德國人發(fā)明有史以來第一臺超聲波流量計。迄今為止，超聲波流量計歷經了九十多年的發(fā)展歷程。雖然最初的超聲波流量計使用并不廣泛，但在一九七零年以后，隨著集成電路和電子技術的迅速發(fā)展，使得超聲波流量計在測量精度、響應速度和穩(wěn)定性方面有了大幅度改善。近十幾年來，隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，國防工業(yè)對于測試設備和測試技術能力要求的逐步提高，超聲波流量計迅速成為流量測量的領域不可或缺的組成部分[2]。

超聲波流量計主要由流量計二次儀表、測量探頭(換能器)及信號處理單元和安裝部件組成。正確選擇測量點對于實現可靠和高精度的測量是至關重要的，測量必須在管道上進行。測量點的正確選擇和正確的傳感器安裝位置能保證在最佳條件下接受和處理超聲波信號。由于測量環(huán)境不同對測試影響的因素眾多，對于傳感器的定位并無標準方案。傳感器安裝的正確性主要受介質影響，受介質中存在的氣泡影響，受管路的直徑、材料、內襯、壁厚和形狀影響。安裝應該盡量避開管路中有沉積物的位置，應確保選定的位置上的溫度處于儀器換能器的工作范圍內。

結合飛機燃油試驗流量測量的需要，分析一下所選FLEXIM公司的F601型號超聲波流量計的特點。(1)測量精度為0.5%完全符合試驗需要；(2)適用溫度范圍-200～450℃完全包含試驗測試溫度范圍；(3)響應時間為70 ms；(4)可測量最小管徑為6 mm；(5)可測最低流速為0.01 m/s；(6)主機采用雙處理器，一個作為信號采集，一個作為信號處理，提高運行速度；(7)傳感器內部帶有溫度補償功能，確保介質溫度發(fā)生變化時，保證測量精度；(8)傳感器電纜為鍇裝電纜，防止傳感器在經常適用的情況下損壞電纜，適應試驗環(huán)境；超聲波流量器內部固化儲存芯片，適用時流量計自動讀取傳感器數據，方便操作，保證試驗測量精度[3]。

2 超聲波流量計原理

超聲波流量計就是通過測量流體對超聲波的作用所承載的信息來測量流體流量的。若所利用的承載信息不同，其測量原理也就不同，超聲波流量計的測量原理可以分為時差法、相關法、多普勒法、噪聲法、旋禍法和波束偏移法等。其中時差法的技術最為成熟，應用也最為廣泛，本文測量燃油流量就是采用的時差法原理。

時差法是通過測量超聲波束在管道流體中傳播時間差值來測量流體流速，進而計算出流量的[4]。

超聲波流量計的測量原理參見圖1和圖2。

圖1 超聲波流量計的安裝圖

圖2 超聲波流量計傳播時間示意圖

圖1中管路為輸油管路，兩個方塊為超聲波流量計的換能器，超聲波流量計貼在輸油管外壁上，一個為超聲波發(fā)射模塊，一個為超聲波接收模塊。

如圖2所示，圖上方波形圖為超聲波在靜止液體中傳播示意曲線，下方是在有一定流速的液體傳播示意曲線。由于超聲波在煤油中的傳播速度是一定的，由于兩個模塊安裝位置之間的距離是固定的，那么如果管路內的油是靜止的，那么一束超聲波經過管路中煤油，再反射到接收模塊，超聲波在煤油傳播的時間就是一個定值，即t1；當管路中的液體是流動的，超聲波此時傳播速度應該是液體的流動速度疊加上超聲波在煤油中的固有的傳播速度，所以與液體靜止時接收到超聲波的時間有滯后或超前，這個時間為t2，時間差Δt就是由于管路中液體流動產生的，并且與流動速度相關，在已知管路內徑和超聲波在液體中的固有傳播速度的情況下，就可以通過一系列計算獲得液體單位時間內流過的體積，即管路中流動液體的瞬時流量。

3 超聲波流量計組成和性能指標

一套超聲波流量計由兩個探頭(換能器)、同軸電纜和測量儀表(二次儀表)組成，兩個探頭直接安裝在管路上，通過同軸電纜將信號輸入給二次儀表，兩個探頭一個為超聲波信號發(fā)射探頭，一個為超聲波信號接受探頭。

超聲波流量計的測試精度為：0.5%

防爆等級：二區(qū)防爆ExdII BT4

可測溫度范圍：-200℃～450℃

可測最低流速：0.01 m/s

可測最小管徑：6 mm

4 超聲波流量計安裝方法和注意事項

安裝方式主要有兩種：同一側安裝和對側安裝，見圖3。

圖3 超聲波流量計安裝方式示意圖

上圖是反射式，采用V型或W型安裝；下圖是直射式，采用Z型安裝。選擇哪種安裝方式與管路的管徑相關，一般將管徑參數輸入與傳感器配套的測試儀表內，測試儀表經過計算會提示一個比較適合的安裝方式，并且給出最優(yōu)的安裝距離。安裝人員按照此參數進行實際安裝。

反射式安裝需要兩個模塊中心線在一條直線上，并且與管路軸線平行，而直射式安裝兩個模塊中心線在一個平面內，并且與管路軸線平行。這兩個條件看似簡單，卻往往因為安裝位置和安裝空間的限制不容易實現，通常要利用直角尺和游標卡尺共同完成安裝[5]。兩個探頭之間的距離要利用游標卡尺精確測量，此參數需要輸入給測量儀表參與流量值計算。

超聲波安裝位置的選擇，有以下幾條注意事項：

①首先保證需要測量的管路是一段直管路，并且管路外表面和內表面都比較光滑，如果表面比較粗糙，會降低超聲波的反射能力，影響測量精度；

②傳感器距離如果管路上有彎頭、變徑、閥門和泵等，要保證一定的距離，因為在彎頭、變徑、閥門和泵的附近容易產生渦流，影響測量數據，具體距離參數可查找安裝說明的參數表，傳感器一般與之都要相距10倍管徑以上；

③如果選擇垂直地面的管路測量，要注意液體的流向，要選擇液體向上流動的管路，因為液體向下流動時，受重力的影響，容易造成液柱不連續(xù)，有氣泡產生，影響測量精度。

5 二次儀表的使用及數據采集

超聲波流量計的探頭通過同軸電纜與二次儀表相連，二次儀表通過采集超聲波信號，進行相關計算，得到流量值。

二次儀表需要輸入輸油管路的管徑參數，超聲波在煤油中的傳播速度，煤油密度、黏度系數、測試電纜長度等參數[6]。

測量儀表計算出流量值后，可以根據設定的量程范圍變送輸出標準的電流電壓信號，供計算機測試系統(tǒng)采集記錄。

6 超聲波流量計的在飛機燃油試驗中具體應用

在飛機燃油試驗中需要采用油箱標定的方法來測量輸油流量。在以往的型號試驗中油箱標定的方法是通過逐次向油箱內加入一定量的煤油，記錄下油箱內液位傳感器的液位高度，得到油箱的油量-高度曲線。在油箱標定試驗中，油箱輸油，記錄下油箱內液位傳感器的液位高度變化，通過油量-高度曲線計算得到油箱油量隨時間變化曲線，其斜率是油箱輸油瞬時流量。但是油箱標定是一項很龐大的試驗，雖然試驗本身并不復雜，但需要耗費大量人力物力，在某型飛機油量標定試驗中，整個試驗團隊用兩個月才完成標定試驗。并且在飛機燃油試驗中，試驗需要測試不同油箱在不同姿態(tài)下的輸油流量，而渦輪流量計的體積很大，不適合安裝在油箱內的狹小空間，因此不能安裝渦輪流量計，為了保住試驗節(jié)點不能再使用的耗時耗力的測量方法。所以，需要采用一種新的技術或測量方法來完成油箱輸油流量的測量。經過調研論證，發(fā)現了一種新型流量測量儀器—超聲波流量計進行流量測量。超聲波流量計的優(yōu)點是體積很小、適合安裝在輸油管路的外管壁上，不會破壞輸油管路流阻特性，并且其防爆等級是二區(qū)防爆ExdII BT4符合飛機燃油試驗要求，可以浸泡在油箱煤油中測量油箱內部管路的煤油流量。

團隊首次將超聲波流量計應用到飛機燃油試驗中，而其中最大亮點就是首次使用超聲波流量計測量浸在飛機油箱中的輸油管路的輸油流量。

下面結合測量機翼油箱的輸油流量測量介紹超聲波流量計的在飛機燃油試驗中具體應用。

首先打開油箱口蓋，確認需要測量的管路，選擇測量位置時要參照上文所述的安裝位置選擇注意事項。

通過查閱管路設計圖紙，獲得待測輸油管路的材料型號、管徑、壁厚等參數指標，經確認，機翼油箱的輸油管路材料為鋁、外徑(XX)mm、壁厚(XX)mm，將這些參數輸入測量儀表，測量儀表經過內部計算，給出最優(yōu)的安裝方式和探頭之間的最佳間距。

在確定好安裝位置后，按照測量儀表提示的安裝方式和間距進行安裝，安裝時一定要注意探頭的中心線與管路軸線平行，參照前文論述，另外注意探頭的方向與管路中煤油流向一致。

探頭固定好后，用千分卡尺測量兩個探頭之間的實際距離，雖然安裝時是盡量按照儀表給出的尺寸安裝，但由于安裝空間限制，實際距離與要求距離不能完全相同，但只要將實際距離輸入測量儀表，測量儀表根據實際距離進行修正。

探頭固定安裝后，將探頭的測試電纜與測量儀表連接，這時，如果管路中充滿煤油，儀表的測試界面將顯示超聲波信號強弱，如果信號很強，則表明探頭安裝正確，如果信號弱，則需檢查探頭安裝情況，調整安裝，直至顯示信號正常，可以進行試驗測試。

測試儀表將測得的流量值輸入給計算機測試系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)同步記錄流量值和試驗中其他參數，從而完成輸油流量測量試驗。

7 結論

本文介紹了超聲波流量計在飛機燃油試驗中的實際應用，并且在近期幾個型號的燃油地面模擬試驗中，都應用了超聲波流量計測量輸油流量，由于其安裝測試簡單方便，節(jié)省大量的人力物力，解決了費時費力的測試難題，很好地完成試驗任務，確保了試驗節(jié)點。綜上，在飛機燃油流量測試中應用超聲波流量計是可行的，并且本方法已經在飛機燃油模擬試驗的流量測試中得到成功運用。建議該測試方法在飛機其他系統(tǒng)流量測試中使用，比如液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)都非常適合使用該方法。同時，該測試方法在飛機機上排故方面會起重大作用。隨著超聲波流量計發(fā)展，測試設備越來越小，并且可以應用在機上燃油流量測試。

[1] 羅伊·蘭頓.飛機燃油系統(tǒng)[M]. 上海：上海交通大學出版社，2010.

[2] 黃摯雄.超聲波流量計的發(fā)展與應用[J].自動化與儀表，1998(3):1-4.

[3] 陳 聰.超聲波流量計的特點和應用[J].醫(yī)藥工程技術，2010(1):48-50.

[4] 劉 杰.基于時差法的超聲波流量計設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

[5] 王立琦，王 珍.高精度超聲波流量計的研制[J].哈爾濱商業(yè)大學學報，2001.

[6] 蘭純純.時差式超聲波流量計二次儀表的研究[D].杭州：浙江大學機械能源學院，2004.

Application Research of Ultrasonic Flowmeter in Aircraft
Fuel Oil Flow Test

Du Qiao,Jiang Wen,Li Chunjing

(Shenyang Aircraft Design and Research Institute,Shenyang 110035,China)

The system of fuel oil flow test is one of the significant ground simulation experiments. The tubes layout in the test reservoir are consistent with that in the real aircraft reservoir, so they are not suitable to be installed in the narrow space of the reservoir. And it will damage the flow resistance characteristic of the tube to install the turbine flowmeter. As the way of traditional reservoir oil calibration wastes work and time, it is necessary to apply a novel technology to fulfill the oil calibration. Because the volume of ultrasonic flowmeter is smaller so it will not ruin the flow resistance characteristic of oil transportation tube which can meet the experiment demand. This paper deals with the possibility analysis of the ultrasonic flowmeter under the circumstances of immersion oil, the creation of ultrasonic flowmeter will be fulfilled in the fuel oil system experiments. The importance of ultrasonic flowmeter in the test of airplane fuel oil will be verified by the experiments. It is significant to make a fuel oil flow test utilizing the ultrasonic flowmeter in the fuel oil system series experiments for the first time. As a result, it is proved that ultrasonic flowmeter plays an important role in the aircraft fuel oil flow test and troubleshooting.

fuel oil test; flow test; ultrasonic flowmeter; time-difference method

2016-12-20；

2017-01-05。

杜 喬(1982-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事飛機燃油系統(tǒng)試驗測試與控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0053-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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